Technický rozvoj v cestnom staviteľstve

Technický rozvoj a jeho produkty permanentne ovplyvňujú efektívnosť prostriedkov vynakladaných v cestnom staviteľstve, pôsobia na produktivitu prác aj kvalitu diela a na úžitkové vlastnosti i životnosť stavebných objektov. V článku sú opísané zámery úloh technického rozvoja a niektoré inovatívne technológie v cestnom staviteľstve, ktoré možno označiť za riešenia trvalo udržateľného rozvoja odvetvia. Zámerom je stavba energeticky úsporných cestných komunikácií s minimálnymi emisiami počas stavby aj ich užívania.

Cestné staviteľstvo ako časť širšej oblasti dopravných stavieb má za úlohu nielen pripraviť, ale najmä realizovať výstavbu diaľnic, ciest a miestnych komunikácií, ako aj starať sa o údržbu, opravu a obnovu diaľnic a ciest. Všetky tieto činnosti sú technicky náročné a z hľadiska národného hospodárstva aj finančne náročné. Jedným z riešení, ako znížiť náklady, zlepšiť kvalitu a funkčné vlastnosti, predĺžiť životnosť a cykly obnovy stavebných objektov (najmä vozoviek), je využitie modernej techniky ako výsledku technického rozvoja, teda využitie nových materiálov, zdokonalených stavebných postupov a nových technológií, napr. recyklovania a opätovného použitia cestných stavebných materiálov.

Vývoj cestnej dopravy nadobudol také rozmery, že spoločnosť musí riešiť jej trvalo udržateľný rozvoj, teda taký, ktorý berie do úvahy životné prostredie a životný priestor pre ďalšie generácie. Problémy s bezpečnosťou cestnej dopravy a energeticky úspornými technológiami stavieb sú veľmi vážne. V zahraničí, konkrétne v Nemecku, pripravili dlhodobý program s názvom Pozemné komunikácie v 21. storočí – Inovatívne technológie v cestnom staviteľstve. Program má až sedem tematických okruhov. Za nosný možno považovať okruh s témou udržateľnej pozemnej komunikácie, s ktorým súvisia riešenia smerujúce k energeticky úspornej pozemnej komunikácii, riešenia šetriace pri stavbe životné prostredie a eliminujúce emisie (skleníkové plyny). Pri otázkach rozvoja cestného staviteľstva musíme uvažovať aj o vývoji samotnej cestnej dopravy.

Vývoj automobilovej cestnej dopravy

Aj napriek meniacim sa ekonomickým podmienkam výroba cestných motorových vozidiel rastie. Týka sa to celosvetovej produkcie motorových vozidiel aj výroby vozidiel v SR. V roku 2013 vyrobili automobilky na Slovensku 987 718 vozidiel, teda takmer 1 milión. Prevažná časť výroby sa exportovala, ale podľa evidencie vozidiel môžeme sledovať aj vývoj v SR:
rok 2000 – registrovaných 1 751 840 vozidiel, z toho 1 400 000 osobných,
rok 2010 – registrovaných 1 954 000 vozidiel, z toho 1 669 000 osobných,
rok 2013 – registrovaných 2 622 000 vozidiel, z toho 1 879 000 osobných.

V krajinách EÚ (28) bolo v roku 2012 registrovaných 246 miliónov osobných áut a 34,25 miliónov nákladných áut. Čo sa týka intenzity cestnej automobilovej dopravy, môže ju u nás charakterizovať počet vozidiel na diaľnici D1 pri vstupe do Bratislavy (obchvat).

Pri špeciálnom sčítaní vozidiel v roku 2014 sa zistilo:

• v rannej špičke viac ako 4 000 vozidiel/h, pričom priemerná rýchlosť v pruhoch bola 28 km/h,
• na tom istom úseku v čase od 10.00 h do 14.00 h asi 2 500 vozidiel, pričom priemerná rýchlosť prúdu bola 77 km/h.

Popoludní je na výstupe z Bratislavy na D1 v špičke asi 3 700 vozidiel/h a idú priemernou rýchlosťou 53 km/h. V čase od 10.00 do 14.00 h je v tých istých miestach asi 3 000 vozidiel a priemerná rýchlosť prúdu je 53 km/h. Je to veľké dopravné zaťaženie, ktoré sa spája s energetickou náročnosťou a emisiami.

Podľa údajov o spotrebe energie, ktoré pre krajiny EÚ spracúva Eurostat, bol v roku 2012 podiel dopravy na celkovej spotrebe energie 31,8 %, priemyslu 25,6 % a domácností a služieb až 40,3 %. Na Slovensku boli tieto údaje trochu iné: podiel priemyslu bol 41,8 % a dopravy 19,24 %. Podiel dopravy na spotre­be energie je teda veľký a v súčasnosti dosahuje až štvrtinu celkovej spotreby. Ak súčasne sledujeme emisie skleníkových plynov, zistíme, že v krajinách EÚ ich v roku 2012 vyprodukoval priemysel 18,8 %, doprava 19,7 % (teda viac). V roku 2012 tvoril v EÚ (28) podiel cestnej dopravy na emisiách 71,9 %, ale železničnej dopravy iba 0,6 %! Na Slovensku bol tento rozdiel ešte výraznejší: 97,2 a 1,2 %. Samotná cestná doprava vyprodukuje n-násobok CO2 oproti železničnej doprave.

Cestná doprava, t. j. doprava osôb a tovarov, stále v porovnaní s inými dopravami prevláda. Pri porovnaní výkonov v osobnej doprave (podľa Eurostat-u 2014) bol v EÚ (28) podiel cestnej dopravy 81,6 % a železničnej iba 7,6 %. Na Slovensku bol tento podiel výkonov v roku 2012 76,7 % a 7,0 %. Z dlhodobého hľadiska možno sledovať veľmi malý pokles výkonov cestnej osobnej dopravy a súčasne veľmi malý nárast výkonov železničnej osobnej dopravy. V nákladnej doprave (tovarov a surovín) na cestách a železnici takýto trend v EÚ, resp. v SR, nepozorujeme. Pomer výkonov v tkm na cestách v EÚ (28) je asi 4,5-násobkom výkonov na železnici. Z hľadiska životného prostredia je tento stav nepriaznivý. Životné prostredie zhoršujú exhaláty, prach aj hluk. Negatívne musíme posudzovať aj energetickú náročnosť samotnej cestnej dopravy.

Smerovanie technického rozvoja zahŕňajúce riešenia trvalo udržateľného rozvoja bude vo výrobe vozidiel podobné ako v cestnom staviteľstve. Pozornosť sa upriami na energetickú náročnosť stavania, zmenšenie množstva skleníkových plynov pri výrobe materiálov a v prípade stavebných technológií tiež na opätovné použitie materiálov a súvisiace predĺženie životnosti konštrukcií, najmä vozoviek. Na znižovanie spotreby energie v doprave sa na úrovni EÚ odporúča spoplatňovať infraštruktúru, podporovať intermodalitu a optimalizovať riadenie dopravy.

Energetická náročnosť cestných stavieb

Energetická náročnosť cestných stavieb je relatívne veľká. Súvisí to s tým, že sú to líniové stavby a veľmi často vedú v členitom teréne. Pri terénnych prácach a stavbe cestného telesa sa ťaží, prepravuje a spracúva veľký objem zemín. Stroje na tieto a ďalšie práce musia byť výkonné a majú veľkú spotrebu pohonných hmôt. Na stavbu mostov a zakladanie objektov sa musia často použiť technológie, pri ktorých sa osobitne neuvažuje o spotrebe energie (pohonné hmoty, elektrina, resp. aj iné formy), lebo sú nevyhnutné.

Možno povedať, že aj na stavbu vozoviek sa používajú stavebné materiály a rôzne zmesi, ktorých samotná výroba a potom spracovanie sú energeticky náročné. Týka sa to aj obnovy a rekonštrukcie vozoviek. Údaje o energetickej náročnosti výroby základných stavebných materiálov, dopravy, miešania a spracovania zmesí sa začali zisťovať pred viac ako tridsiatimi rokmi. Už v roku 1987 sa vypracoval „Katalóg energetickej náročnosti…“ [1], pomocou ktorého sa vzájomne mohli porovnávať rôzne typy vozoviek. Umožňovala to vypočítaná energetická náročnosť stavby 1 m2 konštrukcie vozovky. Za základné materiály sa brali kamenivo, cement a asfalt. Priemerné hodnoty energetickej náročnosti vyjadrenej hodnotami MJ na výrobu jednej tony materiálu sa uvádzali (vtedy) takto:

• kamenivo    ťažené    25 až 50 MJ/t – drvené    75 až 80 MJ/t
• cement (slinok a jeho mletie) – priemerne 6 200 MJ/t
• asfalt (ropný, destilačný) 50 MJ/t

(Pozn.: vybúraná, drvená a triedená asfaltová zmes 54 až 72 MJ/t)

Energetická náročnosť stavby 1 m2 asfaltovej vozovky pri veľkom dopravnom zaťažení bola asi 700 MJ/m2, ale vozovky s cementobetónovým krytom takmer 800 MJ/m2. Pretože energetická náročnosť výroby cementu sa postupne výrazne zmenšovala (5 000 a menej MJ/t), vozovky sú v súčasnosti už porovnateľné.

Ak hovoríme o základných materiáloch, energetická náročnosť na výrobu drveného kameniva však naďalej zostáva veľká, a to hlavne pre veľkú spotrebu vody, drvenie a triedenie. Diskutabilná je energetická náročnosť asfaltu. Je otázka, či je správne nezapočítať energiu potrebnú na ťažbu ropy. Uvádza sa, že na ťažbu ropy, z ktorej sa destiláciou vyrobí 1 tona asfaltu, treba 490 až 1 580 MJ (veľké rozdiely sú v prípade Blízkeho východu a Ruska), priemerne 1 030 MJ. Je zaujímavé sledovať pokles spotreby cestných asfaltov v celosvetovej bilancii. Ako vidieť na grafoch na obr. 1, v roku 2012 spotreba oproti roku 2005 poklesla zo 105,5 mil. ton na 95,5 mil. ton. Spotreba klesla v Európe aj v USA, vzrástla najmä v Ázii. Svetové zásoby ropy klesajú a dá sa predpokladať, že jej ťažba bude nákladnejšia (bridlicová ropa) a asfalt drahší.

Obr. 1  Spotreba asfaltu vo svete (Zdroj: Wirtgen)

Energetická náročnosť výroby asfaltových zmesí závisí od typu obaľovacej súpravy aj druhu média. Môžu to byť hodnoty od 300 MJ/t do 500 MJ/t. Za všeobecne akceptovateľné množstvo emisií CO2 sa pri výrobe asfaltových zmesí považuje 10 až 20 kg/t. Náklady na energiu pri výrobe asfaltových zmesí sa dajú od výrobcov len ťažko zistiť, ale odhadujeme ich v rozsahu od 15 až do 25  % celkových nákladov. Môžeme ich posudzovať tak, že ich zníženie je pre výrobcov „zaujímavé“, resp. môže byť prínosom pre efektívnosť výroby zmesí [2].

Najčastejšie uvádzané spôsoby šetrenia (teda úspor) energiou na stavbe ciest sú :

• recyklovanie vybúraných (vyfrézovaných) zmesí v obaľovacích súpravách za horúca,
• recyklovanie asfaltových zmesí na mieste za horúca,
• opätovné použitie zmesí materiálov z vrstiev na mieste za studena,
• výroba asfaltových zmesí pri nižších teplotách (nízkoteplotné asfaltové zmesi).

Výroba a spracovanie asfaltových zmesí

Výskum v oblasti výroby asfaltových zmesí pri teplotách nižších, ako sú v technických predpisoch, sa začal takmer pred dvadsiatimi rokmi. Po roku 2000 sa realizovala aj stavba asfaltových vozoviek pri nižších teplotách, pričom sa uvádzali významné úspory energie – až 35 % – a zároveň redukcia emisií CO2 až o 40 %! Podľa súčasných poznatkov sa asfaltové zmesi s vyhovujúcimi vlastnosťami môžu vyrábať pri teplotách o 20 až 50 °C nižších, ako sú štandardné (130 až 180 °C), a spracovať pri teplote 100 °C. Tieto zmesi sa nazývajú „nízkoteplotné“ (česky NTAS) alebo teplé (z angl. WMA, Warm Mix Asphalt).

Zníženie teploty umožňujú:

• chemické prísady, povrchovo aktívne látky, ktoré zlepšujú priľnavosť asfaltového spojiva ku kamenivu,
• organické prísady a vosky, ktoré znižujú viskozitu asfaltového spojiva,
• postupy, napríklad spenenie asfaltu a jeho jemné rozptýlenie pri obaľovaní kameniva.

Podľa FHA USA (Federal Highway Administration) bolo v roku 2010 známych až 21 prísad, resp. technologických postupov pri výrobe zmesí WMA. Prísada ako napríklad syntetický parafinický vosk sa pridáva v množstve 0,8 až 4,0 % hmotnosti spojiva, povrchovo aktívne látky sa pridávajú v množstve 1,5 až 2,0 % hmotnosti asfaltu. Prísady na trhu majú rôzne obchodné názvy, napríklad:

• Sasobit, Licomont BS 100 – organické prísady na báze voskov vo forme prášku alebo granúl,
• Zycosoil – organicko-silikónová zlúčenina,
• Interflow – chemická prísada na báze aminozlúčenín,
• PPA – prísada na báze kyseliny polyfosforečnej.

Niektoré stavebné firmy vyrábajú nízkoteplotné zmesi, pri ktorých je celá technológia výroby patentovaná. Ide napríklad o asfaltovú zmes na obrusné vrstvy COMPOMAC VR alebo EVOTHERM DAT 5.Zavádzaniu výroby a spracovaniu asfaltových zmesí pri nižších teplotách so zámerom usporiť energiu a súčasne redukovať skleníkové plyny predchádzali laboratórne skúšky ich mechanických vlastností. Tieto skúšky pokračujú a sú zamerané najmä na odolnosť vyrobených zmesí proti pôsobeniu vody. Celková produkcia WMA však rastie. Kým objem ich výroby v Európe sa odhaduje na 2,5 % objemu asfaltových zmesí, v USA prekračuje 20 % (Kongres Euroasphalt 2013).

Energeticky veľmi náročná je výroba liateho asfaltu, ktorý sa stále využíva v cestnom staviteľstve. Riešenie problému, ako vyrábať a klásť liate asfalty pri nízkych teplotách, sa našlo v použití prísad, ktoré upravujú viskozitu zmesi LA – tá stekutie a možno ju spracovať. Funkčné vlastnosti LA (angl. MA) sa pritom nezmenia. Prísady majú rastlinný pôvod a môžu byť drahé, čím zvýšia náklady (až o 15 %), ale efekt sa prejavuje v úspore energie a menšom množstve skleníkových plynov. Pri výrobe liateho asfaltu sú štandardne teploty 240 až 260 °C, ale vyskúšali sa teploty 180 až 200 °C, no označili sa ako nízke (BT), aj teploty nižšie ako 180 °C, ktoré sa označili ako veľmi nízke (TBT). Výskumné práce sa uskutočnili najmä v Nemecku.

Jedným z riešení na ochranu životného prostredia, ktorého význam a uplatnenie vo výrobe asfaltových zmesí rastú, je recyklovanie. Pri opätovnom použití vybúraných asfaltových zmesí v obaľovacích súpravách za horúca sa venuje väčšia pozornosť úprave zrnitosti vyfrézovanej zmesi a jej homogenizácii. Prakticky to znamená „selektívne“ frézovanie vrstiev z určitej zmesi a ich oddelené spracovanie. Vieme, že z vrstvy AC 32 P možno očakávať AC 22 P, resp. z AC 22 L napr. AC 16 L. Zámerom laboratórnych skúšok vlastností zmesí je použitie stále väčšieho množstva R-materiálu. Ukázalo sa [3], že čím je množstvo pridávaného R-materiálu väčšie, tým je potrebný dlhší čas na miešanie zmesi. Aj pri tomto postupe sa však uplatňujú prísady, ktorými sa regeneruje staré asfaltové spojivo a zlepšuje sa nová zmes. Pre regeneračnú prísadu obvykle na báze voskových a rastlinných olejov sa v literatúre používa označenie rejuvenátor.

Zámery experimentov a ciele riešení sú náročné, konkrétne sledujú použitie týchto látok v asfaltovej zmesi:

• 20 % R-materiálu na obrusné vrstvy,
• 30 % až 40 % R-materiálu na ložné vrstvy,
• asi 60 % R-materiálu a viac na podkladové vrstvy.

(Pozn.: oproti platným STN, resp. STN EN je to veľký rozdiel)

Zatiaľ čo pri stavbe nových asfaltových vozoviek sa ako efektívne hodnotí opätovné použitie R-materiálu v obaľovacej súprave za horúca, pri obnove a rekonštrukcii vozoviek je to recyklovanie asfaltových zmesí (a materiálov) za studena na mieste. Nie v reklamných, ale serióznych odborných časopisoch nájdeme vyhlásenie: „COLD ASPHALT PAVEMENT RECYCLING: A GROUND BREAKING TECHNOLOGY FOR THE FUTURE“. Pri tejto technológii je kľúčovým strojom fréza – recyklér –, ktorá má taký výkon, že dokáže rozpojiť viacero vrstiev vozovky s celkovou hrúbkou 400 mm a väčšou a potom po pridaní asfaltového spojiva (asfaltovej emulzie alebo speneného asfaltu), hydraulického spojiva a vody zmes premiešať a urovnať (obr. 2).

Obr. 2  Fréza – recyklér (schéma hlavného agregátu stroja) (Zdroj: Wirtgen)

S využitím frézy sa dajú realizovať aj kombiná­cie samotnej úpravy podkladu a krytu vozovky. Predĺženie cyklov obnovy vozoviek a tým životnosti vozoviek sa spája s energetickou náročnosťou prác a používaním cestnej komunikácie. Preto pokračuje výskum vlastností asfaltových spojív, ktoré sa zlepšujú – modifikujú – a svoje vlastnosti prejavujú v asfaltových zmesiach. Odhaduje sa, že podiel modifikovaných asfaltov na trhu cestných asfaltov dosahuje 15 %. Najčastejšie používaným modifikátorom je polymér SBS (styrén-butadién-styrén).

Obvykle sa zlepšené vlastnosti cestného asfaltu dosiahnu pridaním 3 % SBS – zlepší sa odolnosť modifikovanej asfaltovej zmesi proti trvalým deformáciám, zároveň aj odolnosť proti vzniku trhlín a proti únave. Preukázalo sa, že väčšie množstvo modifikátora, napríklad až 7 %, prináša ďalšie zlepšenie vlastností asfaltovej zmesi, čo sa môže využiť na zmenšenie hrúbky ložnej alebo podkladovej vrstvy vozovky z asfaltového betónu. Efekt môže byť výrazný, pretože hrúbka asfaltovej vozovky je menšia o 20 až 25 %, pričom hrúbka zmesí môže byť o 35 mm menšia [4]. Výrazne („vysoko“) modifikované asfalty sa označujú ako HiMA (angl. Highly Modified Asphalt).

Konštrukcie vozoviek

Samotná vozovka na cestných komunikáciách predstavuje pomerne jednoduchú stavebnú konštrukciu, ale jej prevádzková spôsobilosť a ďalšie vlastnosti podstatne ovplyvňujú funkčnosť cestnej komunikácie. Náklady na stavbu vozovky sú pritom pomerne veľké. Takisto náklady na opravu a obnovu (rehabilitáciu) vozoviek sú podstatnou časťou nákladov vynaložených počas ich životnosti. Návrhové metódy vozoviek sa vyvíjajú, pričom sa v nich uplatňujú poznatky z mechaniky vozoviek a tiež z monitorovania a hodnotenia stavu tzv. experimentálnych/overovacích úsekov ciest.
Časťou návrhovej metódy je dimenzovanie, teraz často nazývané aj výpočtové dimenzovanie. Pri výpočte napätí a pretvorení vrstiev vozovky, ktorých hodnoty sú kritériami a posudzujú sa, používame matematický model viacvrstvového systému. Každú vrstvu s hrúbkou h (mm) charakterizujú návrhové (výpočtové) hodnoty modulu pružnosti E (MPa) a Poissonovo číslo (μ). Mieru spolupôsobenia vrstiev možno diferencovať.

Pri zadanom dopravnom zaťažení, únosnosti podložia a ďalších podmienkach jestvuje viacero variantov typu a skladby vozovky. Z hľadiska nákladov, ako aj miery ochrany životného prostredia by sa mala robiť analýza nákladov životného cyklu (LCCA = Life Cycle Cost Analysis). Ukazuje sa (a cituje v odbornej literatúre), že výhodné sú konštrukcie vozoviek s veľmi dlhou životnosťou. Podľa kategórie cestnej komunikácie je to najmenej tridsať rokov, ale vývoj PP (Perpetual Pavement) ukazuje až na päťdesiat rokov. Pri návrhu konštrukcie vozovky s dlhou životnosťou treba dôsledne aplikovať poznatky z mechaniky vozoviek a robiť aj úvahu o „hospodárení“ s vozovkou. Z hľadiska mechaniky by mali moduly (pretvárnosti, pružnosti) materiálov vrstiev postupne od vrchu klesať, pričom vzájomné pomery modulov vrstiev majú byť relatívne malé (zásadne nie v desiatkach). Z hľadiska funkcie vrstiev a mechanických vlastností ich materiálov môžu byť vrstvy smerom k podložiu hrubšie. Jednoduchý záznam týchto pravidiel je:

h1 < h2 < h3 < h4 …
E1 > E2 > E3 > E4 …
E1/E2 ≈ E2/E3 ≈ E3/E4 …

Obr. 3  Návrh konštrukcie vozovky s dlhou životnosťou

Príklad návrhu konštrukcie asfaltovej vozovky s dlhou životnosťou s prihliadnutím na používané cestné stavebné materiály je v schéme (obr. 3). Technický výbor medzinárodnej organizácie PIARC publikoval v roku 2009 príklady vozoviek s dlhou životnosťou, ktoré boli postavené v desiatich krajinách [5]. Boli to asfaltové, betónové aj kompozitné konštrukcie. Pri navrhovaní týchto konštrukcií nemôže chýbať návrh hospodárenia, ktorého obsahom je: návrh cyklov obnovy krytu, prípadne častí konštrukcie, náklady spojené s týmito opatreniami a dĺžka analyzovaného obdobia. Schéma takéhoto návrhu je na obr. 4. Nie je tam však uvedený termín rekonštrukcie vozovky – môže byť zhodný s analyzovaným obdobím. Predpokladáme, že v inovovanom výpočtovom dimenzovaní vozoviek sa uplatnia funkčné charakteristiky cestných stavebných materiálov, najskôr asfaltových zmesí a potom aj ostatných materiálov.

Obr. 4  Schéma návrhu hospodárenia s vozovkou (Zdroj: autor)

Záver

Medzi problémy, ktoré prináša budúcnosť v oblasti cestnej dopravy, patrí určite udržateľný rozvoj cestného staviteľstva. Riešenia môže priniesť najmä technický rozvoj tohto odvetvia stavebníctva, v ktorom sa budú uplatňovať nové a zlepšené cestné stavebné materiály, zdokonalené stavebné postupy a nové technológie, napríklad recyklovanie a opätovné použitie stavebných materiálov. Cieľom zostávajú energeticky úsporné cestné komunikácie (ich stavba aj obnova) s minimálnymi emisiami pri stavbe aj ich používaní. V súvislosti s cestami ako súčasťou životného priestoru vznikajú ďalšie požiadavky a kritériá.

TEXT: prof. Ing. Ivan Gschwendt, DrSc.

Ivan Gschwendt je emeritný profesor na Stavebnej fakulte STU v Bratislave.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske Stavby/Inženýrské stavby

Literatúra
1.    TP 31 Katalóg energetické náročnosti stavebních silničních materiálů, prací a konstrukci vozovek; MV ČSR a MV SSR, 1987
2.    Budinský, V.: Energetická náročnosť a emisie
skleníkových plynov pri výrobe asfaltových zmesí.
Zborník XVI. Seminára I.P, Bratislava 2011, s. 107 – 111.
3.    Cápayová, S., Zuzulová, A., Bačová, K.: Properties
of asphalt mixtures with reclaimed material
in Slovakia. Konferencia GBMCE 2014, Hong Kong.
4.    Vysoce modifikované asfalty. In: Silnice-Mosty, 2013, č. 4, s. 26 – 29, Praha: Združení pro výstavbu silnic.
5.    Long life pavements and success stories. PIARC Technical Committee C4.3 Road pavements. WRA Paris 2009.